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Vol. 63, No. 20 (2014)

2014年10月20日
总论 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质 电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 凝聚物质:结构、力学和热学性质 原子和分子物理学 地球物理学、天文学和天体物理学 物理学交叉学科及有关科学技术领域 综述
综述
气体、等离子体和放电物理 核物理学
总论
γ射线辐照对掺Yb光纤材料性能的影响
黄宏琪, 赵楠, 陈瑰, 廖雷, 刘自军, 彭景刚, 戴能利
2014, 63 (20): 200201. doi: 10.7498/aps.63.200201
摘要 +
采用改进的化学气相沉积法制备掺Yb石英光纤预制棒,以该预制棒制备了尺寸为10/130 μm的双包层掺Yb光纤,将这些光纤分成若干组,在不同剂量的60Co γ辐射源下辐照,测试了光纤在辐射前后的吸收谱和激光性能以及光纤预制棒切片辐照后的吸收. 实验结果表明:光纤中已存在的色心缺陷(如氧空位(Ⅱ))和辐照引起的色心缺陷(如E'心、过氧基以及Yb2+离子)等因素的叠加作用可能导致辐照后的光纤在可见光区域的吸收显著增大;与辐照前相比,辐照后光纤的斜率效率、光-光效率显著下降,剂量越大激光性能下降得越厉害;基于Power-Law定理拟合了光纤辐致损耗与所受剂量的关系曲线,定量分析了不同剂量辐照后光纤激光性能下降的原因. 研究结果将为进一步发展抗辐照光纤提供理论和实验依据.
极性分子摆动态的三体量子关联
李艳杰, 刘金明
2014, 63 (20): 200302. doi: 10.7498/aps.63.200302
摘要 +
极性分子具有较长的相干时间和较强的偶极-偶极相互作用,因此它被视为量子信息处理的有效量子载体. 基于分子摆动态作为量子比特,研究了处于热平衡状态下三极性分子线性链系统的三体量子关联特性,分析了三体负性熵纠缠度、测量诱导扰动和三体量子失协随与电场强度、分子电偶极矩、分子转动常数、偶极-偶极相互作用和温度等参数有关的三个无量纲变量之间的变化关系. 研究表明:在其他参数给定的情况下,随电场强度的增加,三体量子关联均变小;随偶极-偶极相互作用强度的增大,三体量子关联先增加到峰值再逐渐变小;温度越高,负性熵纠缠度和三体量子失协越小,但测量诱导扰动随温度的改变在电场强度和偶极-偶极相互作用影响下呈现不同的变化趋势. 此外,通过调节电场强度、偶极-偶极相互作用和温度,可改变与操控极性分子摆动态的三体量子关联.
温库边界对布朗热机性能的影响
肖宇玲, 何济洲, 程海涛
2014, 63 (20): 200501. doi: 10.7498/aps.63.200501
摘要 +
研究了单势垒锯齿势中,布朗粒子在外力和空间周期温度场作用下构成的布朗热机的热力学性能. 考虑布朗粒子动能变化以及高、低温库之间热漏引起的热流. 用Smoluchowski 方程描述粒子在黏性介质中的动力学特性,推导出高、低温库的热流以及热机功率和效率的解析表达式. 通过数值计算分析势垒高度、外力和温库边界对热机性能的影响. 研究表明:由于动能变化和热漏引起的不可逆热流的存在,布朗热机为不可逆热机,热机的功率效率特性为一闭合的关系曲线;势垒边界与温库边界重合时,热机的功率达到最大值;通过改变温库边界的位置,可以在一定范围内提高热机的效率,但同时减小了热机的输出功率.
奇相干光源的测量设备无关量子密钥分配研究
东晨, 赵尚弘, 张宁, 董毅, 赵卫虎, 刘韵
2014, 63 (20): 200304. doi: 10.7498/aps.63.200304
摘要 +
刻画了奇相干光源的光子数分布特征,研究了奇相干光源下诱骗态测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率与安全传输距离的关系,推导了奇相干光源下的计数率下界和误码率上界,并采用标准误差方法分析了有限长度密钥下统计波动对参数估计的影响. 仿真结果表明,奇相干光源光子数分布中多光子脉冲的比例低于弱相干光,可以有效提高诱骗态测量设备无关密钥分配系统的最大安全通信距离,为实用的量子密钥分配实验提供了重要的理论参数.
电感电流伪连续模式下分数阶Boost变换器的非线性控制
谭程, 梁志珊, 张举丘
2014, 63 (20): 200502. doi: 10.7498/aps.63.200502
摘要 +
基于电容和电感都是分数阶的事实,采用分数阶微积分理论,建立了电感电流伪连续模式下Boost变换器的分数阶状态空间平均模型. 针对其分数阶模型具有仿射非线性系统的特点,根据分数阶的类Lyapunov稳定性理论,设计了适用于分数阶电感电流伪连续模式下Boost变换器的一种分数阶非线性控制器. 依据分抗链及改进的Oustaloup分数阶近似算法,得到了分数阶电感和电容的等效电路模型,用Matlab/Simulink软件对所设计的控制器进行了仿真验证. 结果表明:所设计的分数阶非线性控制器对分数阶电感电流伪连续模式下的Boost变换器的动态和稳态性能有显著的提高,并且在输入电压和负载大幅度波动的情况下,仍然能够确保系统具有良好的稳定性和动态性能.
蔡氏电路的功能全同电路与拓扑等效电路及其设计方法
张新国, 孙洪涛, 赵金兰, 刘冀钊, 马义德, 韩廷武
2014, 63 (20): 200503. doi: 10.7498/aps.63.200503
摘要 +
基于经典蔡氏电路方程的电容电压与电感电流变量及其状态方程归一化特点,提出了三种标度化、优化的电路设计方法:一种是方程变量都为电压的5运放电源限幅蔡氏电路,便于大规模集成;两种二极管非线性构成的功能全同蔡氏电路,与限幅非线性电路优势互补,可供大规模集成的细胞神经网络系统设计;同时,给出了与蔡氏电路为微分同胚电路的优化三次方蔡氏电路. 各电路设计方法适用于以三折线为主的三次型混沌电路. 最后,将本文提出的电路设计方法应用于混沌保密通信,实验表明该方法具有实用性和一定的应用价值.
自然循环流动不稳定性的多目标优化极限学习机预测方法
陈涵瀛, 高璞珍, 谭思超, 付学宽
2014, 63 (20): 200505. doi: 10.7498/aps.63.200505
摘要 +
极限学习机是近年来提出的一种前向单隐层神经网络训练算法,具有训练速度快、不会陷入局部最优等优点,但其性能会受到随机选取的输入权值和阈值的影响. 针对这一问题,提出一种基于多目标优化的改进极限学习机,将训练误差和输出层权值的均方最小化同时作为优化目标,采用带精英策略的快速非支配排序遗传算法对极限学习机的输入层到隐层的权值和阈值进行优化. 将该算法应用于摇摆工况下自然循环系统不规则复合型流量脉动的多步滚动预测,分析了训练误差和输出层权值对不同步长预测效果的影响. 仿真结果表明,优化极限学习机预测误差可以用较小的网络规模获得很好的泛化能力. 为流动不稳定性的实时预测提供了一种准确度较高的途径,其预测结果可以作为核动力系统操作员的参考.
锂离子进入碳纳米管端口速度的分子动力学模拟
杨成兵, 解辉, 刘朝
2014, 63 (20): 200508. doi: 10.7498/aps.63.200508
摘要 +
锂离子进入碳纳米管端口的速度VLi是影响锂离子电池充电性能的重要因素. 采用分子动力学模拟方法,研究了直径、温度、电场强度和端口改性官能团四种因子对其影响. 运用正交实验方法,分析得出了各因子及其不同水平的影响规律. 结果表明,四种因子的影响力度由大到小依次为:电场强度、官能团类型、碳纳米管直径和温度. 在本文的模拟条件下,随着电场强度和碳纳米管直径的增大,VLi逐渐增加,且在电场强度下的增幅会更显著;碳纳米管端口官能团分别改性为氢原子(–H),羟基(–OH),氨基(–NH2)以及羧基(–COOH)时,VLi会逐步降低;随着温度的增大,VLi先增加后减小,但整体波动偏幅不大.
概率假设密度滤波的物理空间意义
翟岱亮, 雷虎民, 李海宁, 李炯, 邵雷
2014, 63 (20): 200204. doi: 10.7498/aps.63.200204
摘要 +
为了深入理解概率假设密度滤波,本文在Ozgur Erdinc对随机集的物理空间假设的基础上,采用Bayes公式和全概率公式对概率假设密度滤波的迭代过程进行了推导. 为有效改善概率假设密度滤波的目标漏检问题提供了理论基础.
再入过载的匹配渐进展开分析与卸载方法研究
杜昕, 李海阳
2014, 63 (20): 200401. doi: 10.7498/aps.63.200401
摘要 +
探月飞船返回地球时将以第二宇宙速度再入地球大气层,面临极其严苛的气动环境,因此对于再入气动过载的分析具有重要意义. 再入运动方程是一组非线性很强的常微分方程,数值方法计算量大,不适用于在线任务. 因此,本文采用一种近似解法对气动过载进行分析. 首先,基于匹配渐进展开方法将再入纵向运动解在大气外层区域与内层区域分别展开,得到统一形式的闭型近似解,在此基础上分段求解气动过载,并与精确解进行对比分析. 其次,利用闭型近似解,通过当前状态反解虚拟初始条件,在此基础上提出初次过载峰值的解析预测方法,并分析了不同条件下预测的相对误差变化规律. 最后,基于过载峰值的解析预测对飞船的初次再入过程进行卸载,将飞船在再入过程中耗散的总能量进行重新分配,并通过蒙特卡罗飞行仿真试验验证了卸载方法的有效性.
基于多重分形去趋势波动分析法的交通流多重分形无标度区间自动识别方法
熊杰, 陈绍宽, 韦伟, 刘爽, 关伟
2014, 63 (20): 200504. doi: 10.7498/aps.63.200504
摘要 +
无标度区间是时间序列在统计意义上存在分形自相似性的尺度范围,是交通流多重分形特征研究中的重要组成部分. 为解决交通流多重分形研究中多重分形去趋势波动分析法(multi-fractal detrended fluctuation analysis,MF-DFA)缺乏有效识别无标度区间方法的问题,本文在分析算法过程中交通流波动函数对数曲线突变点性质的基础上,结合传统无标度区间识别方法的构建思想,建立基于MF-DFA 算法的无标度区间自动识别方法. 以北京市二环快速路外环方向的部分道路为例开展实例研究,通过与传统无标度区间识别方法的结果对比,验证新方法的有效性. 研究结果表明:本文方法能自动识别交通流多重分形无标度区间,且稳定性好;案例研究可知交通流短时间内波动较小、自相似性较强,随着研究时间段变长、交通流波动逐渐变大,自相似性逐渐消失,进一步解释了交通流无标度区间的有限性.
微波-光波变电长度缩比条件下目标雷达散射截面相似性研究
何晶, 苗强, 吴德伟
2014, 63 (20): 200301. doi: 10.7498/aps.63.200301
摘要 +
利用光源体积较小且容易实现的特点,提出了将微波大尺度缩比到可见光波段,采用光源辐射产生的光波缩比测量目标在微波频段雷达散射截面的思想,讨论了由此带来的原型系统中目标几何尺寸不能缩得很小而导致的必须变电长度缩比问题,深入研究了在这种非等比的非精确相似条件下目标雷达散射截面的相似性关系,以及符合这种 相似性关系的微波-光波变电尺度缩比仿真雷达散射截面的约束条件和补偿方法. 研究成果为在实验室等较小场地实现大型电磁系统缩比仿真测量实验提供了新思路.
二元玻色-爱因斯坦凝聚体中矢量孤子的转化行为
张蔚曦, 张志强, 冉茂武, 欧永康, 何章明
2014, 63 (20): 200507. doi: 10.7498/aps.63.200507
摘要 +
考虑种内和种间相互作用均为排斥作用,研究了局限于谐振 外部势阱中的二元玻色-爱因斯坦凝聚体中灰-灰和黑-黑孤子的动力学行为. 结果表明:当谐振势阱的轴向囚禁频率为零时,灰-灰和黑-黑孤子均能保持局域稳定;而当轴向囚禁频率不为零时,凝聚体中的原子向势阱中心聚集,发现灰-灰孤子可以转化成亮-亮孤子.
具有一般非线性弹性力和广义阻尼力的相对转动非线性系统的周期解问题
李晓静, 严静, 陈绚青, 曹毅
2014, 63 (20): 200202. doi: 10.7498/aps.63.200202
摘要 +
讨论了一类相对转动非线性动力系统的周期解问题. 首先建立了一类具有一般非线性弹性力、广义阻尼力和强迫周期力项的相对转动非线性动力系统;其次得到了对应自治系统的周期解不存在性结果,以及运用Mawhin重合度理论得到了该模型的周期解存在性结果,推广了已有的结果;最后举例证明本文结果的正确性.
基于压缩感知的振动数据修复方法
张新鹏, 胡茑庆, 程哲, 钟华
2014, 63 (20): 200506. doi: 10.7498/aps.63.200506
摘要 +
为解决旋转机械振动信号丢失数据修复的问题,提出一种基于压缩感知原理的振动数据修复方法. 首先对采集到的不完整信号进行处理,将无信息输入时刻对应的数据用零元素填充得到有损信号,以单位矩阵为基础,根据有损信号中零元素的位置信息,构造对应于压缩感知框架下的观测矩阵;再根据待修复信号的特点并结合先验知识,构造或选择能够对振动信号进行稀疏表示的字典矩阵;然后使用高效且稳定的追踪算法,根据有损信号、观测矩阵以及字典矩阵重构原始信号,实现丢失振动数据的修复. 使用仿真数据检验方法的有效性;使用实测的轴承振动状态数据验证方法对于振动数据的适用性,并通过比较完整信号、有损信号和修复信号对应的时域和频域特征值来检验数据修复效果. 实验结果表明:本文方法能够有效地实现丢失数据的修复,且从统计特征的角度来看,相比于有损信号,修复信号能够更为准确地描述真实完整的振动信号.
一种基于选择性测量的自适应压缩感知方法
康荣宗, 田鹏武, 于宏毅
2014, 63 (20): 200701. doi: 10.7498/aps.63.200701
摘要 +
针对低信噪比条件下现有压缩感知系统重构性能严重恶化的问题,提出了一种基于选择性测量的自适应压缩感知结构. 首先推导并分析了经过压缩测量的噪声的统计特性及其对重构性能的影响;然后基于输出能量最小化准则,设计了一种压缩域投影滤波联合噪声检测的自适应感知器,感知获得噪声子空间的位置信息;进一步利用该信息构造选择性压缩测量矩阵,智能选择测量信号,同时“屏蔽”噪声分量,极大提高了压缩测量值的信噪比. 仿真结果表明,相对于现有压缩感知结构,选择性测量的压缩感知结构明显改善了含噪稀疏信号的重构性能,可更好地应用于吸波材料的前端特性分析、认知无线电的频谱感知等领域.
高斯噪声和弱正弦信号驱动的时间差型磁通门传感器
杨波, 卜雄洙, 王新征, 于靖
2014, 63 (20): 200702. doi: 10.7498/aps.63.200702
摘要 +
提出了一种利用高斯噪声和弱正弦信号共同驱动的新型时间差型磁通门传感器. 根据软磁材料双稳态特性及其Fokker-Planck方程推导了跃迁率的表达式. 利用数值仿真的方法,研究了跃迁率和外磁场、激励磁场、噪声强度之间的关系. 通过将周期变化的跃迁率信号转换为方波信号,建立了方波高低电平时间差与外磁场之间的关系,并推导了传感器灵敏度的表达式. 研究表明,在一定的偏置磁场下,传感器灵敏度与激励磁场的幅值以及频率成反比,量程和激励磁场的幅值成正比. 对所设计±10.7 A/m量程的传感器样机进行了测试,传感器最小灵敏度为9.8696 ms/(A/m),可用于准静态微弱磁场的检测.
变系数Whitham-Broer-Kaup方程组的对称、约化及精确解
刘勇, 刘希强
2014, 63 (20): 200203. doi: 10.7498/aps.63.200203
摘要 +
利用修正的Clarkson-Kruskal 直接法对变系数Whitham-Broer-Kaup(VCWBK)方程组进行等价转化,建立了VCWBK 方程组与常系数WBK 方程组解之间的关系,并得到了常系数WBK 方程组的一些对称和相似约化. 借助辅助函数法得到了VCWBK 方程组的一些新精确解,包括有理函数解、双曲函数的解、三角函数解和Jacobi 椭圆函数解.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
α-碳锗炔稳定性及性质模拟
张娇娇, 辛子华, 张计划, 颜笑, 邓密海
2014, 63 (20): 207303. doi: 10.7498/aps.63.207303
摘要 +
采用以量子力学为基础的半经验计算方法–自洽和环境依赖的原子轨道线性理论,预测了类α-石墨炔的碳锗炔结构. 研究了α-碳锗炔的稳定结构、电子结构以及热力学稳定性,得到其最稳定的构型是Ge原子在六元环的六个顶角处,晶格常数为8.686 Å的六角原胞构成的单层平面蜂窝状结构. 该结构是带隙为1.078 eV的半导体. α-碳锗炔在很高的温度下都可以保持稳定,直到2280 K时其长程有序态才被破坏,当体系低于此温度时,可以通过降温使其恢复到零温时的稳定平面结构.
Ti掺杂W18O49纳米线的电子结构与NO2敏感性能的第一性原理研究
秦玉香, 刘梅, 化得燕
2014, 63 (20): 207101. doi: 10.7498/aps.63.207101
摘要 +
采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,通过理论建模,研究了Ti掺杂的非化学计量比W18O49纳米线的几何与能带结构以及电子态密度,并通过进一步计算NO2/Ti-W18O49纳米线吸附体系的吸附能、电荷差分密度与电荷布居,分析了Ti掺杂W18O49纳米线的气体吸附与敏感性能. 计算发现,Ti掺杂改变了W18O49纳米线的表面电子结构,引入的额外的杂质态密度和费米能级附近能带结构的显著变化,使掺杂纳米线带隙与费米能级位置改变,纳米线导电性能增强. 吸附在W18O49纳米线表面的NO2作为电子受体从纳米线导带夺取电子,导致纳米线电导降低,产生气体敏感响应. 与纯相W18O49纳米线相比,NO2/Ti-W18O49纳米线吸附体系内部存在更多的电子转移,从理论上定量地反映了Ti掺杂对改善W18O49纳米线气敏灵敏度的有效性. 对Ti掺杂纳米线不同气体吸附体系电子布居的进一步计算表明,Ti掺杂纳米线对NO2气体具有良好的灵敏度和选择性.
Si(110)和Si(111)衬底上制备InGaN/GaN蓝光发光二极管
刘战辉, 张李骊, 李庆芳, 张荣, 修向前, 谢自力, 单云
2014, 63 (20): 207304. doi: 10.7498/aps.63.207304
摘要 +
分别在Si(110)和Si(111)衬底上制备了InGaN/GaN多量子阱结构蓝光发光二极管(LED)器件. 利用高分辨X射线衍射、原子力显微镜、室温拉曼光谱和变温光致发光谱对生长的LED结构进行了结构表征. 结果表明,相对于Si(111)上生长LED样品,Si(110)上生长的LED结构晶体质量较好,样品中存在较小的张应力,具有较高的内量子效率. 对制备的LED芯片进行光电特性分析测试表明,两种衬底上制备的LED芯片等效串联电阻相差不大,在大电流注入下内量子效率下降较小;但是,相比于Si(111)上制备LED 芯片,Si(110)上LED芯片具有较小的开启电压和更优异的发光特性. 对LED器件电致发光(EL)发光峰随驱动电流的变化研究发现,由于Si(110)衬底上LED结构中阱层和垒层存在较小的应力/应变而在器件中产生较弱的量子限制斯塔克效应,致使Si(110)上LED 芯片EL 发光峰随驱动电流的蓝移量更小.
基于表面等离子激元的超薄金属减色滤波器的研究
吴青峻, 吴凡, 孙理斌, 胡晓琳, 叶鸣, 徐越, 史斌, 谢昊, 夏娟, 蒋建中, 张冬仙
2014, 63 (20): 207801. doi: 10.7498/aps.63.207801
摘要 +
基于表面等离子激元的新型超薄金属减色滤波器具有可靠、易制备、高透射率等诸多优点. 本文对银、铜、铝、镍等不同金属材料的超薄一维光栅减色滤波器进行了系统研究. 仿真获得了透射光谱,理论计算了对应透射光谱的色品坐标,并推导出了银、铜、铝三种材料透射率最低点波长与膜厚、周期关系的经验公式. 仿真研究发现:除了镍的选波性较差外,银、铜、铝均表现出较好的、不同的滤波特性,其中银的滤波范围较广,而铜、铝则分别在长、短波段表现出较好的滤波性能. 为了验证仿真结果,利用磁控溅射技术和聚焦离子束刻蚀技术进行了三种材料的一维光栅减色滤波器的制备实验,并在显微镜下观察滤波器的颜色效应,结果与理论仿真相符合. 研究结果表明:不同金属材料在相同微结构下的颜色效应存在较大差异,可根据实际滤波需要,选择材料和微结构参数来获得最佳性价比的滤波器.
I掺杂金红石TiO2(110)面的第一性原理研究
王涛, 陈建峰, 乐园
2014, 63 (20): 207302. doi: 10.7498/aps.63.207302
摘要 +
利用基于密度泛函理论的第一性原理研究了I掺杂金红石TiO2(110)表面的形成能和电子结构,分析了不同掺杂位置的结构对TiO2光催化性能的影响. 计算表明,氧化环境下I最容易替代掺杂表面五配位的Ti,而还原环境下最容易替代掺杂表面的桥位氧. I替位Ti或I替位O都能降低禁带宽度,可能使TiO2吸收带出现红移现象或产生在可见光区的吸收,其中I替位桥位氧的禁带宽度最小. 吸收光谱表明,I掺杂不仅能提高TiO2可见光响应,同时可增加紫外光的吸收能量,提高其可见光及紫外光下的光催化性能.
微流控技术制备ZnO纳米线阵列及其气敏特性
胡杰, 邓霄, 桑胜波, 李朋伟, 李刚, 张文栋
2014, 63 (20): 207102. doi: 10.7498/aps.63.207102
摘要 +
利用微流控技术在微通道中制备了ZnO纳米线阵列,通过X射线衍射和扫描电子显微镜分别对纳米线的物相和表面形貌进行了表征. 结果发现,合成的ZnO纳米线具有良好的c轴择优取向性和结晶度. 同时,对ZnO纳米线阵列在丙酮、甲醇和乙醇气体中的气敏特性进行了研究,测试结果表明:在最佳工作温度(475 ℃)下,纳米线阵列对200 ppm(1 ppm=10-6)丙酮气体的最大灵敏度可达8.26,响应恢复时间分别为9和5 s;通过与传统水热法制备的ZnO纳米线的气敏性能相比较发现,基于微流控技术制备的纳米线阵列具有更高的灵敏度和更快的响应恢复速度. 最后,从材料表面氧气分子得失电子的角度对ZnO纳米线气敏机理进行了讨论.
碳、氧、硫掺杂二维黑磷的第一性原理计算
谭兴毅, 王佳恒, 朱祎祎, 左安友, 金克新
2014, 63 (20): 207301. doi: 10.7498/aps.63.207301
摘要 +
基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,研究了二维黑磷中的碳原子(CP)、 氧原子(CP)、硫原子(SP)掺杂的几何结构、磁学性质和电子结构. 发现掺杂体系结构稳定,CP和OP体系形变较大,而SP 体系形变较小;二维黑磷本身无磁矩,掺杂后都具有1 μB的总磁矩. 由于掺杂体系具有稳定的铁磁性,使其在自旋电子器件方面可发挥重要的作用.
基于能量转换原理的磁电层合材料低频磁电响应分析
代显智
2014, 63 (20): 207501. doi: 10.7498/aps.63.207501
摘要 +
提出了一种基于能量转换原理的磁致伸缩/压电层合材料低频磁电响应模型,并对不同层合结构的磁电响应特性进行了对比研究. 该模型假定层合材料层间能量传递通过层间剪切力来实现,利用应力函数法分析了磁致伸缩层和压电层的应力与应变,求出了磁致伸缩层的应变能和存储磁场能以及压电层的应变能和电场能;利用Hamilton最小能量原理求出了层间剪切力的大小,获得了开路状态下层合材料的低频磁电响应模型. 发现磁电电压系数与磁致伸缩材料的磁导率、泊松比、磁机耦合系数以及压电材料的泊松比、机电耦合系数等有关,并对这些参数的影响进行了分析. 同时对两层和三层结构的层合材料磁电特性进行了对比研究,发现层合结构不同则获得的磁电系数公式不同,用相应的公式计算得到的误差才会最小. 研究结果表明,本文的理论误差小于6.5%,与其他方法相比,本文的理论模型能更好地描述磁电层合材料的低频磁电响应特性.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于电光效应的光子频移研究
周飞, 曹原, 雍海林, 彭承志, 王向斌
2014, 63 (20): 204202. doi: 10.7498/aps.63.204202
摘要 +
系统分析了如何通过电光调制的方式来消除量子点纠缠光源中不同偏振模式光子之间的频率差异,并实际设计了一套泡克耳斯盒电光调制方案,通过给其加载约8 V/ns的上升沿或下降沿电压,实现了18 MHz带宽的光子频率的移动. 表明只需增大调制电压斜率,便可以有效实现GHz以上的频率移动,为未来实现确定性完美的量子点纠缠光源提供了切实可行的依据.
非球形包膜微泡近场局部高压研究
邵纬航, 陈伟中
2014, 63 (20): 204702. doi: 10.7498/aps.63.204702
摘要 +
基于流体力学,导出了超声驱动下的非球形包膜微泡的外部流体压强的解析表达式. 数值模拟表明,虽然包膜微泡的非球形状对远场流体压强没有明显影响,但会造成近场局部位置有极大的流体压强,其明显高于同等条件下的球形包膜微泡周围相应位置上的流体压强. 这一现象对包膜微泡的实际应用,如强超声治疗、靶向给药和细胞微穿孔等有着重要的意义. 随着驱动频率向包膜微泡本征频率的靠近或微泡偏离球形程度的增大,所产生的近场局部高压也越大.
参量放大器腔中光力诱导透明与本征模劈裂性质
严晓波, 杨柳, 田雪冬, 刘一谋, 张岩
2014, 63 (20): 204201. doi: 10.7498/aps.63.204201
摘要 +
研究了在含有光学参量放大器的光力学腔中关于弱探测光的光力诱导透明与本征模劈裂的性质. 研究发现,光学参量放大器的驱动场相位和非线性增益值的大小对光力诱导透明窗口宽度和本征模劈裂性质有非常重要的影响,特别是当控制光频率工作在光力学红边带下,通过适当调制相位和非线性增益可以实现比空腔时(没有光学参量放大器时)还狭窄的光力诱导透明窗口,此时伴随着陡峭的色散曲线. 这些研究结果有利于在光力耦合系统中实现快慢光、光存储等量子信息处理过程.
大气水汽探测地基差分吸收激光雷达系统设计与性能仿真
葛烨, 舒嵘, 胡以华, 刘豪
2014, 63 (20): 204301. doi: 10.7498/aps.63.204301
摘要 +
为持续获得对流层低层高精度、高时空分辨率的水汽浓度分布数据,提出了一套改进的大气水汽探测地基差分吸收激光雷达系统方案. 详细描述了系统主要组成部分,对主要误差进行了分析与估计,并提出了一种差分吸收截面实时测量装置用于补偿发射激光器带来的测量误差. 针对该系统,并结合上海地区不同季节的水汽浓度状况,对935 nm水汽吸收带中四个水汽吸收峰的差分光学厚度、雪崩二极管的倍增系数M与回波信噪比的关系、水汽浓度随机测量误差等进行了详细的仿真与分析. 仿真结果表明,根据不同的季节和天气状况,可以选择不同的吸收峰以达到最佳探测效果;在300–5000 m高度范围内,最大可以达到300 m的垂直分辨率与5 min的时间分辨率,水汽浓度随机测量误差不超过18%.
来流边界层效应下斜坡诱导的斜爆轰波
刘彧, 周进, 林志勇
2014, 63 (20): 204701. doi: 10.7498/aps.63.204701
摘要 +
以超声速预混气中的斜爆轰波为研究对象,对其在来流边界层效应下的特性进行了实验研究. 在马赫数为3的超声速预混风洞中,通过斜坡诱导产生了斜爆轰波. 当来流的当量比较低时,预混气中产生的是化学反应锋面与激波面非耦合的激波诱导燃烧现象. 此时边界层分离区中的化学反应放热将使分离区尺度显著增大,流场非定常性显著增强,激波位置剧烈振荡. 当来流的当量比较高时,预混气将产生斜爆轰波. 此时边界层分离区会影响到斜爆轰波起爆时的形态. 在小尺度分离区下,斜爆轰波起爆时呈突跃结构(有横波);在中等尺度分离区下,流场固有的非定常性使斜爆轰波呈间歇突跃结构;在大尺度分离区下,斜爆轰波起爆则呈完全的平滑结构(无横波).
部分相干Airy光束在湍流大气中传输时的偏振特性
杨爱林, 林强
2014, 63 (20): 204101. doi: 10.7498/aps.63.204101
摘要 +
研究了部分相干Airy光束在湍流大气中传输时的偏振特性,偏振保持度作为衡量偏振传输效果的一个重要参数. 结果表明:部分相干Airy光束在湍流大气中传输足够远时,其偏振度会变回到初始值;而在自由空间中传输,光束的偏振度会保持在某一个特定值;在湍流大气中,当光束传输距离不是很远时,光束对称轴上的偏振度分布为Airy函数,但是当传输足够远时,该偏振度分布逐渐趋向于类高斯状;光束的束腰半径越大,相干长度越长,越有利于光束传输后偏振的保持;存在一个指数截断因子,使得光束的偏振保持度很差. 这些结论对于Airy 光束在通信领域中的应用具有重要的意义.
模态信息非完备采样对水下声源检测的影响及改进方法
李明杨, 孙超, 邵炫
2014, 63 (20): 204302. doi: 10.7498/aps.63.204302
摘要 +
给出了海洋波导中位置未知简谐声源的广义似然比检测器及其理论检测性能. 通过对检测器中模态相关矩阵进行特征值分解,将该检测器分解为与各阶特征值相对应的谱成分. 推导了各阶谱成分的统计特性并以此获得了谱成分对输入信号的空间处理增益,该增益与谱成分对应的特征值成正比. 当模态信息采样不完备时,模态相关矩阵存在部分接近于0的小特征值,相应的谱成分对输入信号的空间处理增益与其余谱成分相比非常小. 通过舍去这部分谱成分,提出了有效谱检测器. 该检测器在保持其输出中目标信号成分与广义似然比检测器相同的基础上,有效减少了其中的噪声成分,因此,具有比广义似然比检测器更好的检测性能. 在典型的浅海环境下进行仿真实验,仿真结果验证了理论分析、推导以及有效谱检测器的有效性,并且表明非完备采样程度越严重,有效谱检测器相对于广义似然比检测器的检测性能提高越显著. 此外,有效谱检测器具有比广义似然比检测器更好的数值计算稳健性.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
铜钨合金高温高压性质的第一性原理研究
翟东, 韦昭, 冯志芳, 邵晓红, 张平
2014, 63 (20): 206501. doi: 10.7498/aps.63.206501
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了三种不同比例铜钨合金(Cu3W,CuW,CuW3)的基态及高温、高压下的电子结构、弹性性质和热力学性质.弹性常数计算结果表明Cu3W 为结构不稳定相,CuW和CuW3为结构稳定相,与声子色散曲线得到的结论一致.通过对态密度的分析,发现随压强的增大,金属键键能增大,并且态密度有向深能级移动的趋势.通过准简谐德拜模型和准简谐近似模型分别计算、分析和对比了三种铜钨合金在不同温度和压强下的体弹模量、热膨胀系数、德拜温度和比热容.
原子和分子物理学
静态真空对超声喷流气体团簇制备的实验研究
王龙, 郭尔夫, 韩纪锋, 刘建波, 李永青, 周荣, 杨朝文
2014, 63 (20): 203601. doi: 10.7498/aps.63.203601
摘要 +
研究了靶室静态真空对超声喷流气体团簇产生和制备的影响. 通过瑞利散射方法测量了不同静态真空度下超声喷流氩团簇的尺度和密度参数,发现在喷嘴出口附近团簇尺度和密度受静态真空度的影响较小;在距离喷嘴较远处,氩气团簇存在同氢气团簇类似的自限制效应,验证了自限制效应在团簇制备、输运过程中的重要作用. 该结果对于建造基于激光聚变原理的桌面中子源具有较大的参考意义,可据此简化真空装置以降低运行和维护成本.
两束同色激光场和中红外场驱动氦原子在等离激元中产生的单个阿秒脉冲
曾婷婷, 李鹏程, 周效信
2014, 63 (20): 203201. doi: 10.7498/aps.63.203201
摘要 +
通过数值求解一维氦原子由两束同色激光场和中红外形成组合场中的含时薛定谔方程,研究了氦原子在纳米等离激元中发射高次谐波的性质以及合成阿秒脉冲的特点.研究表明,在等离激元中氦原子在组合场驱动下发射的高次谐波相对于均匀场情况下截止位置会得到明显扩展,但等离激元对处在连续态电子的吸收效应会对高次谐波截止位置影响较大,通过改变激元的相对位置能明显提高其中一个轨道对谐波的贡献,抑制另一些电子轨道的贡献. 经典分析表明,两个电子轨道发生并合,从而实现单个阿秒脉冲的输出. 与原子在均匀场驱动的情况相比,阿秒脉冲的宽度明显缩短,最短可实现28 as的单个脉冲输出.
电荷俘获存储器的过擦现象
汪家余, 代月花, 赵远洋, 徐建彬, 杨菲, 代广珍, 杨金
2014, 63 (20): 203101. doi: 10.7498/aps.63.203101
摘要 +
基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法和VASP软件对电荷俘获存储器过擦现象进行了分析研究. 通过形成能的计算,确定了含有氮空位缺陷的Si3N4和含有间隙氧缺陷的HfO2作为研究的对象;俘获能的计算结果表明两种体系对电子的俘获能力比对空穴的大,因而对两体系擦写载流子确定为电子. 分别计算了HfO2和Si3N4 擦写前后的能量、擦写前后电荷分布变化、吸附能和态密度,以说明过擦的微观机理. 对能量和擦写电荷变化的研究,表明Si3N4相比于HfO2,其可靠性较差,且Si3N4 作为俘获层,在一个擦写周期后,晶胞中电子出现减少现象;界面吸附能的研究表明,Si3N4相比于HfO2在缺陷处更容易与氧进行电子交换;最后,通过对态密度的分析表明Si3N4和HfO2在对应的缺陷中均有缺陷能级俘获电子,前者为浅能级俘获,后者为深能级俘获. 综上分析表明,Si3N4在氮空位的作用下,缺陷附近原子对电子的局域作用变弱,使得Si3N4作为俘获层时,材料本身的电子被擦出,使得擦操作时的平带偏移电压增大,导致存储器发生过擦. 本文的研究结果揭示了过擦的本质,对提高电荷俘获存储器的可靠性以及存储特性有着重要的指导意义.
地球物理学、天文学和天体物理学
滑动移除重标方差在动力学结构突变检验中的应用
孙东永, 张洪波, 黄强
2014, 63 (20): 209203. doi: 10.7498/aps.63.209203
摘要 +
标度指数是一个有效的非线性动力学指数,能够针对相关性时间序列动力学结构突变进行检测;通过滑动窗口技术和滑动移除窗口技术,重标极差对于相关时间序列动力学突变具有很好的检测能力,但由于重标极差方法本身的不完善,在滑动移除窗口较小时其检测结果出现一些虚假的突变点和突变区间. 鉴于此,本文提出了一种新的动力学检测方法——滑动移除重标方差. 理想序列数值试验表明,滑动移除重标方差具有很强的稳定性和准确性,在滑动窗口较小时其检测结果没有出现虚假的突变点和区间,实测资料的应用进一步验证了新方法的可靠性.
高能电子辐射下聚四氟乙烯深层充电特性
李国倡, 闵道敏, 李盛涛, 郑晓泉, 茹佳胜
2014, 63 (20): 209401. doi: 10.7498/aps.63.209401
摘要 +
介质深层充放电现象是诱发航天器异常故障的重要因素之一. 分析了高能电子辐射下介质内部电荷沉积、能量沉积特性和电导特性,考虑了真空与介质界面电荷对电场分布的影响,建立了介质二维深层充电的物理模型,并基于有限元方法实现了数值计算. 计算了高能电子辐射下聚四氟乙烯的深层充电特性. 结果表明:真空环境下,介质的表面存在较弱的反向电场,随着介质深度增大,电场减小至零,随后逐渐增大,最大值出现在靠近接地附近,但在接地点,电场存在小幅降低. 分析了不同辐射时间下(1 h,1 d,10 d和30 d),介质内部最大电位和最大电场的时空演变特性. 随着辐射时间的增加,最大电位由-128 V增加至-7.9×104 V,最大电场由2.83×105 V·m-1增加至1.76×108 V·m-1. 讨论了入射电子束流密度对最大电场的影响,典型空间电子环境(1×10-10 A·m-2)下,电子辐照10 d时,介质内部最大电场为2.95×106 V·m-1. 而恶劣空间电子环境(2×10-8 A·m-2)下,电子辐射42 h,介质内部最大电场即达到108 V·m-1,超过材料击穿阈值(约为108 V·m-1),极易发生放电现象. 该物理模型和数值方法可以作为航天器复杂部件多维电场仿真的研究基础.
基于长程相关性特征的北京气候中心气候系统模式对中国气温的模拟性能评估
赵珊珊, 何文平
2014, 63 (20): 209201. doi: 10.7498/aps.63.209201
摘要 +
传统对数值模式模拟效果的评估主要是基于均值、趋势、概率密度分布、极值等方面的特征比较模拟要素与观测值的差异或是通过分析模拟值与观测值之间的相关性来定量判断. 这类评估方法主要考虑了模式模拟结果与观测资料在统计上的差异,缺乏对两者在动力学特征上的比较. 鉴于此,本文基于气象观测资料演变过程中所展现的长程相关性特征,利用去趋势波动分析方法对观测资料和模式模拟数据进行标度分析,研究模式模拟结果是否具有类似于观测资料中的长程相关性特征,进而通过比较观测资料和模式模拟结果的标度指数,从大气演变的内在动力学特征上对模式模拟性能进行评估. 本文对北京气候中心气候系统模式对中国地表气温的模拟性能进行了评估,结果表明,该模式能够较好地反映出中国区域气温要素的长程相关性特征,对东北、西北中东部、江淮、江南东部等地模拟效果较好,但对于青藏高原地区及西北大部、华北、黄淮等地的模拟效果相对较差,其中对青藏高原地区和西北西部的模拟效果最差.
中国东北区域盛夏雨季的客观识别
房一禾, 龚志强, 赵连伟, 赵春雨, 李清泉
2014, 63 (20): 209202. doi: 10.7498/aps.63.209202
摘要 +
鉴于我国东北三省雨季客观识别方法不尽相同,且无东北区域统一的雨季监测指标. 为了更好地开展区域关键天气过程的客观化识别和监测,本文从区域角度出发,采用东北三省102站逐日降水量资料,通过对东北区域多年平均5点平滑处理的4月1日–10月31日逐日降水量序列的综合分析,及对历年逐日滑动平均雨量的对比试验,确定了东北盛夏雨季判别的阈值参数及通过阈值后的持续时间参数,进而研发了适合东北区域盛夏雨季开始和结束日期的客观识别方法. 并采用美国环境预报中心和国家大气研究中心逐日再分析的风场、位势高度场资料,通过对盛夏雨季前、中、后期不同高度层大气环流场的对比分析,验证了该客观识别方法的合理性. 结果表明,东北区域1981–2010年气候态平均的盛夏雨季的起 止日期分别为每年的6月26日和8月30日.
20世纪90年代末东亚夏季降水年代际变化及其成因初探
胡泊, 乔少博, 封国林
2014, 63 (20): 209204. doi: 10.7498/aps.63.209204
摘要 +
基于1983–2011年月总降水量、环流和海温的再分析资料,给出了20世纪90年代末东亚夏季降水的年代际调整的区域特征,及其对应的大气环流内部过程和可能的海温外强迫的年代际变化. 研究结果表明,在20世纪90年代末期东亚北部夏季降水比东亚南部夏季降水由湿向干的表现更为明显,东亚南部地区夏季降水则是在20世纪90年代初和21世纪初发生年代际的转折. 此外,东亚地区夏季的500 hPa高度场、850 hPa 风场、U200风场、水汽输送场和东亚太平洋遥相关型指数和东亚夏季风指数等在20世纪90年代末期也表现出明显的年代际变化特征. 进而从大气内部过程的角度验证了20世纪90年代末东亚夏季降水发生的年代际调整. 与此同时,北太平洋和西太平洋海表温度表现出由偏低向偏高的转变,这可能是导致20世纪90年代末期东亚夏季气候年代际变化的重要外部成因之一.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
高速高饱和单行载流子光探测器的设计与分析
臧鸽, 黄永清, 骆扬, 段晓峰, 任晓敏
2014, 63 (20): 208502. doi: 10.7498/aps.63.208502
摘要 +
设计了一种InP基的背入射台面结构的单行载流子光探测器. 通过在吸收层中采取高斯型掺杂界面及引入合适厚度和掺杂浓度的崖层,使得光探测器同时具备了高速和高饱和电流特性.理论分析表明,在光敏面为14 μm2、反向偏压为2 V条件下,该器件的3 dB带宽可达58 GHz,直流饱和电流高达158 mA. 在大功率光注入条件下,详细分析了光探测器带宽降低和电流饱和现象,得出能带偏移和电场坍塌是其根本原因的结论.
电荷失配对SiC半超结垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管击穿电压的影响
杨帅, 汤晓燕, 张玉明, 宋庆文, 张义门
2014, 63 (20): 208501. doi: 10.7498/aps.63.208501
摘要 +
SiC半超结垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管(VDMOSFET)相对于 常规VDMOSFET在相同导通电阻下具有更大击穿电压. 在N型外延层上进行离子注入形成半超结结构中的P柱是制造SiC半超结VDMOSFET 的关键工艺. 本文通过二维数值仿真研究了离子注入导致的电荷失配对4H-SiC超结和半超结VDMOSFET 击穿电压的影响,在电荷失配程度为30%时出现半超结VDMOSFET的最大击穿电压. 在本文的器件参数下,P柱浓度偏差导致击穿电压降低15%时,半超结VDMOSFET柱区浓度偏差范围相对于超结VDMOSFET可提高69.5%,这意味着半超结VDMOSFET对柱区离子注入的控制要求更低,工艺制造难度更低.
两层耦合可激发介质中螺旋波转变为平面波
李伟恒, 黎维新, 潘飞, 唐国宁
2014, 63 (20): 208201. doi: 10.7498/aps.63.208201
摘要 +
采用Bär-Eiswirth模型研究了两层耦合可激发介质中螺旋波的动力学,两层介质通过网络连接,即在每一层介质上,每一列选一个可激发单元作为中心点,在一层介质上同一列的可激发单元只与另一层介质上对应的中心点及其8个邻居有耦合. 数值模拟结果表明:通过这种局部耦合,在适当小的耦合强度下两耦合螺旋波可实现同步,增大耦合强度会导致螺旋波漫游和漂移,造成螺旋波不同步,观察到螺旋波与静息态、低频平面波和不规则斑图共存现象. 在适当强的耦合强度下,还观察到两螺旋波转变成同步的平面波消失现象. 对产生这些现象的物理机理做了讨论.
基于复杂网络理论的微博用户关系网络演化模型研究
王亚奇, 王静, 杨海滨
2014, 63 (20): 208902. doi: 10.7498/aps.63.208902
摘要 +
微博给人们提供便利的同时也产生了较大的负面影响. 为获取微博谣言的传播规律,进而采取有效措施防控其传播,本文基于复杂网络理论研究微博用户关系网络的内部特征,提出一种微博用户关系网络演化模型,借助于平均场理论,分析该演化模型的拓扑统计特性,以及谣言在该演化模型上的传播动力学行为. 理论分析和仿真实验表明,由该模型演化生成的微博用户关系网络具有无标度特性. 度分布指数不仅与反向连接概率有关,而且还取决于节点的吸引度分布. 研究还发现,与指数分布和均匀分布相比,当节点吸引度满足幂律分布时,稳态时的谣言传播程度较大. 此外,随着反向连接概率或节点初始连边数量的增加,谣言爆发的概率以及网络中最终接受谣言的节点数量都会明显增大.
回旋行波管多模稳态理论及初步应用
彭澍源, 王秋实, 张兆传, 罗积润
2014, 63 (20): 208401. doi: 10.7498/aps.63.208401
摘要 +
建立了一种回旋行波管的多模稳态理论. 利用该理论研究了输入功率和引导中心半径变化对回旋返波振荡的抑制作用,发现两者单独作用都在一定程度上可以减弱返波振荡,但两者的共同作用对改善工作模式输出性能和稳定性更有效.
非均齐超网络中标度律的涌现富者愈富导致幂律分布吗?
郭进利
2014, 63 (20): 208901. doi: 10.7498/aps.63.208901
摘要 +
建立非线性择优连接非均齐超网络演化模型,研究非均齐超网络演化机制和拓扑性质. 使用Poisson过程理论和连续化方法对模型进行分析,给出超网络超度的特征方程. 利用超度特征方程不仅证明网络稳态平均超度分布存在,而且获得超度分布的解析表达式. 分析表明这个网络具有富者愈富现象. 仿真实验和理论分析相符合. 随着网络规模的增大,这个动态演化的非均齐超网络的超度分布表现出拉直指数分布的特征,而不一定是幂律分布. 结果表明富者愈富不一定导致幂律分布.
基于Kendall改进的同步算法癫痫脑网络分析
董泽芹, 侯凤贞, 戴加飞, 刘新峰, 李锦, 王俊
2014, 63 (20): 208705. doi: 10.7498/aps.63.208705
摘要 +
提出了一种基于Kendall等级相关改进的同步算法IRC(inverse rank correlation). Kendall等级相关是非线性动力学分析的一般化算法,可有效地度量变量间的非线性相关性. 复杂网络的研究已逐渐深入到社会科学的各个领域,脑网络的研究已经成为当今脑功能研究的热点. 利用改进的IRC算法,基于脑电EEG(electroencephalogram)数据来构建大脑功能性网络. 对构建的脑功能网络的度指标进行了分析,以调查癫痫脑功能网络是否异于正常人. 结果显示:使用该改进的算法能够对癫痫和正常脑功能网络显著区分,且只需要记录很短的脑电数据. 实验结果数据表明,该方法适用于区分癫痫和正常脑组织网络度指标,它可有助于进一步地加深对大脑的神经动力学行为的研究,并为临床诊断提供有效工具.
基于多尺度熵的电力能量流复杂性分析
苟竞, 刘俊勇, 魏震波, Gareth Taylor, 刘友波
2014, 63 (20): 208402. doi: 10.7498/aps.63.208402
摘要 +
电力能量流复杂性主要体现于其动态行为的实时性、非线性及不确定性等,网络动力学行为分析是关键. 本文在电力系统动力学平衡方程基础上,构建了系统势能与支路势能函数模型;通过提取扰动(或故障)后系统的能量信息,利用多尺度熵对扰动(或故障)后系统能量流演化过程进行了研究. 结果表明:1)稳定运行状态下系统复杂度较低,且随着故障持续时间的增加,系统故障后呈现出更高的复杂度;2)不稳定运行状态下,系统在小尺度时间上表现出更强的不确定性,而在大尺度时间上表现出相对更明显的规则性;3)临界稳定运行状态与临界不稳定运行状态下,故障后的系统复杂度在不同时间尺度上呈现出较明显的差异,这对动态过程中临界点的识别有着积极的参考价值. 本文研究揭示了电力能量流在物理动态过程中的演化机制,为电力系统动力学行为分析提供了新思路与新方法.
基于哈希理论和线性近邻传递反馈的乳腺X线图像肿块检索方法
李艳凤, 陈后金, 曹霖, 韩振中, 程琳
2014, 63 (20): 208701. doi: 10.7498/aps.63.208701
摘要 +
在乳腺X线图像肿块检测中存在较高的假阳性率,通过基于内容的肿块检索,将待判定肿块与已确诊肿块进行相似性分析,可有效降低假阳性率. 本文提出了一种结合可区分锚点图哈希和线性近邻传递的乳腺图像肿块检索方法. 针对传统锚点图哈希在相似度定义中没有考虑病理相关性的问题,引入病理类别至锚点图哈希图像相似度计算,提出了可区分锚点图哈希以重新表示图像. 利用线性近邻传递作为相关反馈技术,基于图像底层特征表达与图像高层语义间的学习机制,实现交互式肿块图像检索. 采用北京大学人民医院乳腺中心提供的临床图像作为实验数据,实验结果表明,引入病理类别的可区分锚点图哈希图像表达在肿块相似性分析上优于传统锚点图哈希. 相比于现有方法,本文提出的方法在肿块检索性能上得到明显提高.

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递变能量X射线高动态融合图像的灰度表征算法研究
陈平, 阴晓刚, 潘晋孝, 韩焱
2014, 63 (20): 208703. doi: 10.7498/aps.63.208703
摘要 +
递变能量X射线成像,通过获取并融合图像序列实现动态范围扩展,完整再现了检测对象的结构信息. 但是在融合过程中往往是以质量优化为目的,忽略了与实际高动态成像的灰度映射正确性,从而不能保证图像信息与实际物体信息的物理匹配性. 因此,本文提出了递变能量X射线高动态融合图像的灰度表征算法. 该算法首先以标钢质准楔形试块为对象,将不同电压下的融合图像作为输入数据,直接采集高动态成像图像作为输出数据,利用神经网络方法构建递变能量成像的灰度表征模型. 同时针对不同于训练对象的材料,对灰度表征模型进行修正,实现了不同材质的灰度正确表征,进而实现了低动态图像序列融合图像的正确表征. 以12和16 bit成像系统进行实验,结果表明,利用12 bit 探测器通过变电压采集图像序列,经图像融合、灰度映射及灰度校正,达到了16 bit探测器的成像效果,且满足灰度对应关系,有效拓展了成像器件的动态范围.

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心率变异性分析在新生儿疼痛检测中的应用
曾超, 蒋奇云, 陈朝阳, 徐敏
2014, 63 (20): 208704. doi: 10.7498/aps.63.208704
摘要 +
为了研究疼痛暴露对新生儿自主神经系统的影响,并建立基于心率变异性(heart rate variability,HRV)指标的新生儿疼痛检测模型,采用时域、频域和非线性方法对40名新生儿疼痛暴露前后的心电数据进行短时HRV分析,Wilcoxon符号秩检验用于统计分析,支持向量机(support vector machine,SVM)用于建立检测模型. 结果表明,RR间期均值aRR、低频段功率LF、高频段功率HF等3个线性指标和近似熵ApEn、样本熵SampEn、递归率REC等9个非线性指标在疼痛前后具有统计学差异;基于aRR、相邻两个RR间期对差值大于50 ms的百分比pNN50,ApEn,关联维D2和REC等5个指标和SVM的疼痛检测模型检测正确率达到83.75%. HRV的相关指标可反映新生儿自主神经系统对疼痛暴露的应答,基于HRV指标和SVM 的模型可用于新生儿疼痛检测.
综述

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超导转变边沿单光子探测器原理与研究进展
张青雅, 董文慧, 何根芳, 李铁夫, 刘建设, 陈炜
2014, 63 (20): 200303. doi: 10.7498/aps.63.200303
摘要 +
量子信息技术近十多年来的快速发展对单光子探测器的性能提出了更高的要求,高性能单光子探测器也因此受到了更多的关注. 与传统的单光子探测器相比,超导转变边沿(TES)单光子探测器在探测效率、能量分辨、光子数分辨和暗计数等方面具有突出优势. 目前,超导TES单光子探测器已经被成功地应用在量子光学实验和量子密钥分配系统中,未来在量子信息技术等研究领域具有更广泛的应用. 本文从超导TES单光子探测器的工作原理、制备流程、测试系统、主要性能指标以及研究现状和进展等方面对该探测器技术进行简要综述.
基于稀疏优化的计算机断层成像图像不完全角度重建综述
王林元, 刘宏奎, 李磊, 闫镔, 张瀚铭, 蔡爱龙, 陈建林, 胡国恩
2014, 63 (20): 208702. doi: 10.7498/aps.63.208702
摘要 +
计算机断层成像(computed tomography,CT)技术在医学和工业无损检测中都具有非常广泛的应用,CT重建算法是其中的核心,而不完全角度重建问题则是实际应用中重建算法研究领域的一个热点和难点问题. 近年来,随着稀疏优化理论与算法的飞速发展,基于稀疏优化的重建算法已经在不完全角度重建问题中得到了较广泛的应用,且表现出了良好的精度与速度性能. 本文首先对稀疏优化的基本理论结论与常用算法进行了介绍;而后对稀疏优化理论在CT图像不完全角度重建中的应用进行归纳,分类介绍了其主要研究成果及稀疏优化所发挥的作用;最后对基于稀疏优化的不完全角度重建研究进行了展望.
气体、等离子体和放电物理
含螺旋单元频率选择表面的宽频带强吸收复合吸波体
徐永顺, 别少伟, 江建军, 徐海兵, 万东, 周杰
2014, 63 (20): 205202. doi: 10.7498/aps.63.205202
摘要 +
设计和制备了含螺旋单元频率选择表面吸波片的三层复合吸波体,上层和下层均为磁性吸波片,中间层为带缺口的螺旋单元频率选择表面. 复合吸波体在总厚度分别为1.4,1.7和2.0 mm时,其反射率在-10 dB以下的频带宽度分别达到了9.29,6.69和7.11 GHz,与不含有频率选择表面的吸波体相比较(其他参数相同),-10 dB以下反射率带宽分别提高了159.5%,69.3%和129.4%,复合吸波体在总厚度低于吸波体时,也取得了更好的反射效果. 带缺口圆螺旋单元的频率选择表面嵌入吸波体中,引入了额外的吸收频带,拓宽了吸波体的反射率频带宽度. 仿真分析表明嵌入频率选择表面能够改善吸波体的阻抗匹配性,进而影响其反射率.
激光诱导等离子体对水OH伸缩振动受激拉曼散射的影响
汪胜晗, 李占龙, 孙成林, 里佐威, 门志伟
2014, 63 (20): 205204. doi: 10.7498/aps.63.205204
摘要 +
利用532 nm脉冲激光进行水的受激拉曼散射研究,通过改变激光焦点与水-空气界面的距离,获得截然不同的OH伸缩振动受激斯托克斯和反斯托克斯谱线. 焦点距水-空气界面大于20 mm时,只存在 ±3400 cm-1的斯托克斯和反斯托克斯谱线;焦点距离水-空气界面小于20 mm时,存在±3000和± 3400 cm-1的斯托克斯和反斯托克斯谱线;继续缩小焦点与水-空气界面的距离,3000 cm-1谱线被增强,而3400 cm-1谱线被削弱. 研究结果表明,激光诱导水产生的等离子体增强了局部水分子的氢键,导致OH伸缩振动红移,同时过剩电子增强了水的OH伸缩振动受激拉曼散射.
激光诱导击穿空气等离子体时间分辨特性的光谱研究
刘玉峰, 丁艳军, 彭志敏, 黄宇, 杜艳君
2014, 63 (20): 205205. doi: 10.7498/aps.63.205205
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空气等离子体的时间行为对空气环境下激光诱导等离子体形成过程的研究有重要意义. 本文将纳秒Nd:YAG脉冲激光(1064 nm)聚焦于一个大气压的空气中,诱导其产生等离子体. 利用具有纳秒时间分辨功能的PI-MAX-II型ICCD,采用时间分辨光谱方法,研究了大气环境下激光诱导等离子体的时间行为. 大气环境下的激光诱导等离子体光谱广泛分布于300–900 nm范围内,并且是由带状光谱和线状光谱叠加而成的. 根据美国国家标准与技术研究院原子发射谱线数据库,对等离子体光谱中的氧、氮、氢等元素的特征谱线进行了识别和归属. 给出了激光诱导击穿大气等离子体光谱随时间演化的直观图像,根据空气等离子体发射谱线计算了等离子体电子温度和等离子体电子密度. 这些结果对于提高在大气环境下进行的在线测量结果的准确性和精确性具有重要的科学意义.
氙等离子体输运性质计算
陈艳秋
2014, 63 (20): 205201. doi: 10.7498/aps.63.205201
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采用基于将Chapman-Enskog方法扩展到高阶近似的方法计算获得了温度范围在300–40000 K,不同压力条件下氙等离子体的黏性、热导率和电导率. 热力学平衡条件下的计算结果与文献报道的实验和计算结果符合良好,验证了计算方法和结果的合理性与准确性. 在此基础上,计算获得了电子温度(Te)不等于重粒子温度(Th)的热力学非平衡和化学平衡条件下氙等离子体的输运性质,并分析了输运性质随压力和热力学非平衡程度变化的原因.
双绞铝丝纳秒电爆炸实验研究
盛亮, 李阳, 吴坚, 袁媛, 赵吉祯, 张美, 彭博栋, 黑东炜
2014, 63 (20): 205203. doi: 10.7498/aps.63.205203
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在快前沿放电装置(约2 kA,12 ns)上对四种绞合波长(λt=0.37,0.5,0.75,1.0 mm)的双绞铝丝开展了纳秒电爆炸实验研究. 实验结果表明,特定绞合波长会对能量沉积、膨胀过程、光辐射产生显著影响,当绞合波长为0.5 mm时,能量沉积为原子化焓的3.2倍,而其他三种绞合波长能量沉积变化不大,约为原子化焓的1.8倍;绞合波长为0.5 mm 时膨胀速度达3.8× 103 m/s,光辐射相对强度也最高,在膨胀过程中较好地保持了初始结构,在t=246 ns时,形成了密度约为1019 cm-3,直径约为1.6 mm的中性原子柱,并且在表面形成了波长约为0.5 mm,幅值约为0.3 mm的周期性结构.
核物理学
CsI(Tl)晶体的α/γ 波形数字化实时甄别
李奎念, 李斌康, 张美, 李阳
2014, 63 (20): 202901. doi: 10.7498/aps.63.202901
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基于CsI(Tl)探测器对α/γ 粒子的波形甄别能力,采用电荷比较法设计了一种波形实时甄别系统. 介绍了实时甄别系统的设计原理,利用60Co-γ源、241Am-α源对实时系统进行了甄别实验,探究了不同参数对甄别效果的影响,并给出了最优甄别效果下的参数设置. 研究表明,设计的数字化实时波形甄别系统体积小,能准确、实时地甄别开α/γ粒子,最佳品质因子大于1.4,事件计数率可达3× 105/s.